分布式光伏并网后对功率因数的影响和解决方案

李雪松

延锋汽车饰件系统有限公司

引言

分布式光伏发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局和就近利用的原则，充分利用当地太阳能资源替代和减少化石能源消费。分布式光伏发电一般是利用企业既有建筑的屋顶资源，运行方式以用户侧自发自用为主、多余电量上网。分布式光伏系统由光伏组件、逆变器组成。逆变器跟踪光伏电池最大功率点、控制并网电流的波形和功率，将光伏电池所发出的电能逆变成正弦电流并入电网中，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。光伏并网系统的传输能量来源于光伏电池，由电池的特性决定其输出的电压和电流曲线为非线性，受光照和温度的影响，输出功率跟随变化。光伏系统通过电力电子变换器将直流电变换为交流电并入电网。

1 分布式光伏并网后对电网功率因数的影响

分布式光伏发电系统在为企业提供清洁能源的同时，其并网运行后也会干扰企业供电网络无功补偿装置的运行，而且光伏电站的发电功率越接近于企业用电负荷，对无功补偿装置的影响越大，甚至会引起无功补偿装置的停运，最终造成功率因数不合格。通过对分布式光伏在不同发电功率时对企业供配电网络的影响进行分析，提出解决方案。

1.1 功率因数

功率因数是供电公司衡量用户电气设备效率高低的一个系数，功率因数过低会降低电网的运行效率。功率因数的计算通过用户有功电量和无功电量的数值取得，一般而言，无功电量比例越高则功率因数越低，所以，提高功率因数的一个重要手段就是加装无功补偿装置，以降低无功功率。

1.2 力调电费

为提高电能使用效率，原水利电力部、国家物价局于1983年出台了《功率因数调整电费办法》(水电财字215号文件)，办法规定容量在100 kVA及以上的电力用户均须进行功率因数考核，未达到考核标准将加收功率因数调节费(即力调电费)，超过考核标准的按超过比例进行奖励。用户功率因数考核标准为0.85或0.90，若功率因数远低于标准，不仅会造成电网运行负担，同时力调罚款数量也会十分巨大。由于用户负荷与负荷性质在每天的不同时段不一定一致，用户一般会加装带有自动投切功能的无功补偿(多为电容性设备)装置，自动调整补偿力度。

关于无功电能四象限测量的定义在《多功能电能表通信协议》（DL/T645-2007）中做出了规定，如图1所示。

图1 有功和无功功率的几何示意图

电能表的正、反向与电能的受（送）相关，一般情况用户接受系统的电能定义为正向；用户内部发电向系统送电定义为反向。

(1)当系统向用户输送有功和无功时，电能表工作在第I象限，电能表显示有功是正值，无功也是正值；这是用户的正常用电模式，即有功电能和无功电能全部来自电网；

(2)当系统向用户输送无功，用户向系统反送有功时，电能表工作在第Ⅱ象限，电能表显示有功是负值（反向有功），无功是正值；这时用户负荷无法全部消纳分布式光伏发电，余电上网的情况，有功电能倒送回电网，而负载所需无功仍然来自电网；

(3)当用户向系统反送有功和无功时，电能表工作在第Ⅲ象限，电能表显示有功是负值，无功也是负值；有些自发电的用户在内部没有负荷时，出现和专业电厂一样，有功和无功全部向网上输送；

(4)当系统向用户输送有功，用户向系统反送无功时，电能表工作在第Ⅳ象限，电能表显示有功是正值，无功是负值；这时用户从系统取有功，但用户的电容补偿处于过补偿状态，向系统反送无功。；

《功率因数调整电费办法》中规定用户功率因数的计算公式为：

式中容性无功Qc和感性无功QL的方向相反，关口表在计算功率因数时采用正反向无功的绝对值相加。而有功只取正向有功电能，反向有功电能是不参与功率因数计算的。即当用户分布式光伏向电网倒送有功时（电能表工作在第II或第III象限），关口表的功率因数会降低。

2 分布式光伏接入前、后对用户功率因数的影响

2.1 用户电网未接入分布式光伏

某工厂市电供电变压器容量为1 250kVA，用户0.4kV母线通过检测变压器低压总开关的电流来控制无功补偿装置投切补偿电容器，从而保证功率因数控制在0.9以上。

用户所需的有功功率P负载=P电网；

用户侧所需的无功功率Q负载=Q电网+q补；

功率因数

可以看到，无功补偿越接近负载无功，即用户整体负载属性趋近于纯电阻，功率因数越接近1。

2.2 用户电网接入分布式光伏

用户电网接入分布式光伏的一般方式如图2所示，即光伏并网点B1为用户0.4kV母排上。此时负载的有功由电网和光伏共同提供，且由于光伏逆变器的设置，光伏供电优先于电网供电。负载的无功则由电网、补偿电容器和光伏提供，国家标准GB29321-2012《光伏发电站无功补偿技术规范》中提出“光伏逆变器功率因数应能在超前0.95～滞后0.95范围内连续可调”，因此光伏发电本身的功率因数都较高，其吸收和发出的无功功率由于光伏逆变器的功率因数基本设置在0.98以上，所以基本可以认为逆变器输出的是纯有功，负载无功基本是由电网和补偿电容器提供。

图2 常规分布式光伏并网接入示意图

用户所需的有功功率P负载=P电网+P光；

用户所需的无功功率Q负载=Q电网+q补+q光；

功率因数

由于光伏的发电量受太阳辐射大小的变化而变化，从而影响到整个供配电网络的变化，主要现象如下：

0.4 kV母线补偿电容的投切更为频繁；并且在同样负载情况下，电容投切数量大于光伏并网前；

光伏发电量大于负载用电量时，电容补偿全部退出运行；此时无功补偿控制器显示为负值；

关口表的功率因数随光伏发电量的增加而降低。

2.3 分布式光伏并网后功率因数变化的原因分析

针对光伏发电并网后所产生的一系列问题，有必要对配电系统各类电参数的变化进行深入分析。下文的分析基于用户负载一定时（负载有功、无功基本维持不变）的条件，对不同光伏发电功率情况下进行分析：

2.3.1 分布式光伏发电功率小于用户负载功率时，P光＜P负

当光伏发电功率小于负载功率时，此时P电网=P负载-P光＞0；Q电网=Q负载-q补。0.4kV母线无功补偿控制器所检测到的有功电量减少，而负载无功不变情况下，功率因数与光伏发电量成反比例关系。关口表的功率因数与无功补偿控制器情况一致，关口表工作在第I象限。

当负载维持一定时，由于K2计量点有功功率P电网随着光伏发电功率P光的增加而减小，而无功功率Q电网由于光伏逆变器基本没有无功q光输出基本不变。造成功率因数下降。无功补偿控制器发出指令增加电容补偿容量，减少无功功率Q电网的输入。

所以，当P光＜P负时，我们会发现用户0.4kV母线无功补偿装置会随着光伏发电功率的增加而投入更多的补偿电容。这是由于光伏输出有功电能P光的增加造成P电网的减少，而来自电网的无功电能基本不变，此时功率因数随着P光的增加而下降，无功补偿装置会投运更多的补偿电容以维持功率因数在设定值。造成功率因数下降的实质是由于K2检测点有功功率的减小，而不是无功的变化。

2.3.2 分布式光伏发电功率等于用户负载功率时，P光=P负

当光伏发电功率接近负载功率时，此时P电网=P负载-P光≈0；Q电网=Q负载-q补。0.4kV母线无功补偿控制器K2所检测到的有功电量处于时而正向，时而反向。当K2检测到反向有功时，无功补偿电容器全部退出；当K2检测到正向有功时，补偿电容会因为功率因数很低而全部投运。造成系统的不稳定现象。关口表在第I象限和第II象限之间转换。

2.3.3 分布式光伏发电功率大于用户负载功率时，P光＞P负

当光伏发电功率大于负载功率时，此时P电网=P负载-P光＜0；Q电网=Q负载-q补。0.4kV母线无功补偿控制器K2所检测到的有功电量为负值，无功补偿电容器全部退出（由于无功补偿控制器所检测电流是单方向的），q补=0。此时负载无功功率全部来自于电网Q电网=Q负载。关口表的正向有功P电网=0（此时反向有功＞0），无功功率由于补偿电容的退出，无功全部来自电网，因此Q电网将大幅增加，力率下降。关口表工作在第II象限。此时的功率因数已不能真实反映用户的实际无功情况。

2.4 分析结论

（1）0.4KV母线无功补偿控制器K2只具有单方向控制功能。当K2检测到电流为正向时（P光＜P负），能够根据功率因数控制无功补偿电容的投切；当K2检测到电流为反向时，无功补偿控制器不能正常工作，补偿电容全部切除。

（2）关口表的功率因数不能反映用户的实际无功情况。关口表功率的计算时受电计量点处的有功P取用户下受的正向有功，而无功Q取正反向无功绝对值之和。只取正向有功电能，无功电能正反向都计算。这种计算方式决定了只要有功反向，关口表的功率因数会因有功功率随时间积分而下降。

3 解决方案

方案1：调整光伏逆变器输出功率因数

根据《国家电网公司关于印发分布式电源并网相关意见和规范(修订版)的通知(国家电网办[2013]1781号)》，分布式电源接入配电网相关技术规范中第十一条，逆变器类型分布式电源接入10 kV配电网技术要求为：分布式电源功率因数应在0.95(超前)～0.95(滞后)范围内可调。一般情况下逆变器无功控制方式设置为恒功率运行，通常情况下功率因数恒定设为0.99，逆变器不向电网提供无功容量。但如果逆变器的容量大于光伏组件的容量，则可以将逆变器无功输出，调节范围为超前0.8～0.9，向电网输出一定量的容性无功。

此种方案调节能力有限，只适用于光伏并网后功率因数略有下降，且光伏逆变器的容量大于光伏组件容量的情况下。通过调整逆变器的功率因数，向电网输出一定量的无功，从而提高电网功率因数。投入费用少，操作简单。

方案2：更换无功补偿控制器并加装SVG装置

无功补偿控制器的单方向性（二象限无功检测）以及普通电容器组容量跨级大导致补偿精度不够。更换无功补偿控制器支持四象限无功检测，能够正确识别系统的四种运行方式，准确地控制电容器组投切。同时加装有源无功发生器SVG装置，由于无功发生器SVG可连续输出，配合投切电容器后就能消除原有的输出台阶误差(断续补偿)，达到整机容量快速连续输出的目的。可以实现装置具有连续无级可调、快速响应、无涌流等特点。由动态无功补偿控制器作为主控制器检测系统所需的无功功率，指令下发给原无功补偿装置投切电容器，同时也下发给SVG，SVG控制器按接收到的无功指令控制自身逆变器产生所需的无功功率，电容补偿装置实现大容量的粗调，SVG实现小容量的细调。

这种方案是目前企业分布式光伏项目普遍采用的一种解决方案，在光伏发电量小于企业负载用电量时，能够部分解决光伏低压并网后功率因数不稳定的问题。但由于系统没有解决无功补偿器的采样问题，所以无法正确反映功率因数。

方案3：改变光伏主接线并网点方式

目前0.4kV低压并网一般都是并接在母排上（如图1所示并网点B1），这样造成低压无功补偿控制器的检测点K2无法检测到光伏的发电量，所以无功补偿控制器不能正确反映该配电系统的功率因数，也就不能正确控制补偿电容的投切。为了能够正确反映功率因数，可以将并网点改到B2点（如图3所示）。这时K2检测点流过的电流是市电与光伏的合并电流，P负=P市+P光，无功补偿控制器能够正确反映系统的功率因数。

此方案适用于低压总开关柜有空间，光伏并网主电缆可以直接并接在电流互感器与总开关之间。这种改变并网点的接线方式，配合更换无功补偿控制器为双向无功补偿控制器，能够直接解决无功补偿器采样不完整造成的功率因数降低的问题。当企业节假日休息或停产时，光伏发电量远大于负载用电量，长时间处于光伏发电倒送回电网时，需要密切关口表的力率。

方案4：改变无功补偿控制器的监测回路接线方式

系统原无功补偿控制器的电量只采样市电的电量信息，在光伏发电系统并网后，如果控制器不对光伏电量进行采样，就会造成控制器的误判。因此在无功补偿控制器中加入光伏的发电量信息进行修正，即在光伏并网处设置监测点K3，增设一套与无功补偿装置原监测点K2同型号、同参数的电流互感器。两套电流互感器二次绕组同向并接后接入无功补偿控制器回路，使无功补偿装置能根据用电负荷实际需要的总无功功率调整投入的电容器组数量，保证母线功率因数满足标准的要求。改造后的无功补偿控制器监测回路示意图如图3所示（K2、K3取样点）。

本方案与方案3有着同样的效果和缺陷，方案3是通过改变一次接线的方式，而本方案是通过改变二次接线的方式。当然在受主接线空间受限的情况下，该方案更为简便。

4 结论

图3 改善无功补偿分布式光伏并网接入方式示意图

通过对分布式光伏发电并网后的功率因数变化以及四种解决方案的分析发现，企业应根据实际情况，灵活采用一种或多种方案并行的解决方案。通过实践应用，我们建议企业在实施分布式光伏后，无功补偿控制器必须更换为具有双向检测功能控制器，光伏并网接线方式宜采用第三种或第四种方案（见图3），SVG装置可以作为电容补偿的扩展，以平抑功率因数的波动。

采用上述解决方案后，能够满足光伏发电系统功率随光照和温度变化特点的情况下正确补偿无功功率的需求，解决了系统处于任何四象限状态时功率因数低的电能质量问题，满足光伏发电站接入电力系统后功率因数的技术要求。但是无论何种解决方案，都不能解决关口表的力率计费问题。当企业节假日休息或停产时，长时间处于光伏发电倒送回电网时，需要密切关注关口表的力率。这也是目前关口表功率因数考核计算公式所造成的，有待国家相关部门出台新的考核办法。